一種判斷氣/固兩相流流型的新方法

闞 哲，王曉蕾

（遼寧石油化工大學 遼寧 撫順 113001）

氣/固兩相流廣泛的存在于工業生產過程中，例如，在電力、建材、冶金、化工、環衛、醫藥和糧食加工等很多工業生產中，應用管道氣力輸送工藝來傳送煤粉、水泥、礦石、鹽類以及面粉等都是屬于典型的氣/固兩相流流動。氣/固兩相流系統中，實現氣/固兩相流流動參數（如速度、濃度等）的實時在線檢測，對科學研究具有更加廣泛的意義。針對氣/固兩相流流動參數測量，出現了一些性能較好的測量儀器，如基于熱學法的測量儀器、科里奧利流量計、利用差壓法的測量儀器、電容傳感器、靜電傳感器、超聲傳感器、微波傳感器、射線傳感器、光纖傳感器和圖像傳感器等[1-3]。在眾多測量儀器中，靜電傳感器以其結構簡單、安裝方便和非接觸測量等優點吸引著廣大學者和研究人員。因為氣/固兩相流的流動狀態是決定兩相流的傳熱、傳質特性以及在管道中壓力損失的重要因素，是測量氣/固兩相流速度分布和濃度分布的關鍵，所以在給定條件下，預知流型的種類是研究兩相流首先要解決的問題[4]。

測量氣/固兩相流流型的儀器有多種，大致可分為直接測量法和間接測量法。雖然其中的每一種測量儀器都可以完成氣/固兩相流流型的測量，但是到目前為止，任何一種測量儀器都不能完成流型的準確測量。這其中電容層析成像法（ECT）和電阻層析成像法（ERT）可以獲得較好的流型判斷結果。本文基于靜電傳感器，提出了一種新型的氣/固兩相流流型判斷方法。

1 氣/固兩相流流型判斷方法

在氣/固兩相流中，雖然相界面的形狀不會變化，但是由于固體顆粒的分布情況在流動過程中是隨時變化的，因此相界面的分布情況也是不斷變化的。氣/固兩相流的相界面的這種多變性，致使兩相流的流型不僅是多種多樣的，而且變化帶有隨機性。

1.1 直接測量法

根據兩相流的流動形式，直接確定氣/固兩相流流型的方法為直接測量法。如圖像傳感器（Imaging Sensor）[3]和射線傳感器（Radiometric Sensor）[5]測量法等。

1.1.1 圖像傳感器測量法

圖像傳感器主要由CCD照相機和激光片 （Laser Sheet）構成，其簡圖由圖1所示。物料傳送管的一部分制成透明的，當氣/固兩相流在傳送管中運動時，由激光片照亮透明段傳送管，照相機通過光電傳感器（CCD）將圖像信號采集出來，在應用數字圖像處理技術，即可得到氣/固兩相流流型狀況。固體顆粒尺寸為150 μm～25 mm范圍進行實驗[3]。

然而，在實時采集處理過程中，快門（Shutter）速度會給整個測量過程帶來影響。當氣/固兩相流固體顆粒較多時，對于處于中心或底層的固體顆粒很難在采集的圖像中體現出來，由于處于上層的固體顆粒對處于中心或底層的固體顆粒起到遮擋作用，這樣由圖像傳感器采集到的圖像不能完全的體現氣/固兩相流流型。而且在應用數字圖像處理技術時，大量復雜的計算會加重測量儀器的工作負擔。

圖1 圖像傳感器Fig.1 Image sensor

1.1.2 射線衰減法

射線傳感器主要由點光源 （Point Source）、光敏二極管（Photodiode）陣列和采樣電路構成[6]，其簡圖由圖2所示。當光源通過氣/固兩相流時，光子不斷被吸收，射線輻射強度不斷減弱。其強度變化可由下式表示：

圖2 射線傳感器Fig.2 Ray sensor

β（t）表示固體顆粒的體積分數；C表示光源照到傳送管上的長度。

然而，在射線測量方法中，散射計數器應用范圍要求粒子尺寸為1～10 μm，而且粒子數量濃度近似為每立方厘米105個。此外，粒子材質也能影響光的散射，如折射指標和粒子結構等。射線傳感器相對窄的測量范圍和要求射線源安全性限制了射線傳感器應用。

1.2 間接測量法

通過某一個參量，進行成像處理，間接判斷氣/固兩相流流型，如電容層析成像法（ECT)和電阻層析成像法（ERT)。或者根據對測量信號進行統計分析，進而確定流型。

1.2.1 電容層析成像法

電容層析成像（ECT）技術是基于電容敏感機理的PT技術。ECT系統由3個基本部分組成：傳感器陣列；數據采集系統；圖像重建計算機。其簡圖如圖3所示。非導電物場內固體顆粒分布變化而引起電容值的變化，通過測量電容值的變化來重建物場內固體顆粒分布，而實現測量氣/固兩相

I（t），I分別表示被固體顆粒吸收前、后的光強；x（t）表示固體顆粒的有效厚度；μ表示固體顆粒對射線的線性吸收系數。

利用串聯的光敏二極管線性陳列可以直接檢測。根據關系式（2）可以直接求出固體顆粒的體積分數 β（t），進而可以得到氣/固兩相流流型。流流型。

圖3 電容傳感器Fig.3 Capacitive sensor

環境因素很大程度上影響了電容傳感器，如溫度、壓力、濕度和機械振動等。大多數ECT成像都是二維的，這就要對三維ECT技術進行研究。而且ECT技術成像過程中計算量比較大。ECT技術是一門涉及電子、計算機技術、圖形圖像處理、工程熱物理等多學科知識的新興高新技術，它能提供過程參數的二/三維可視化信息，這是傳統的檢測手段和方法所無法比擬的。但是ECT技術目前不論在理論方面還是在應用方面尚存在一些問題需要解決[7]。

1.2.2 電阻層析成像法

電阻層析成象技術是一種基于電阻傳感機理的層析成象技術，通過測量電阻率分布而測得氣/固兩相流固體顆粒分布。電阻傳感器包括用于激勵測量的電極陣列、數據采集與處理單元、圖象重建和分析顯示單元，其簡圖如圖4所示。ERT技術實質上是根據敏感場的電導率分布獲得固體顆粒分布信息，在敏感場邊界施加激勵電流，當場內電導率分布變化時，導致場內電勢分布變化，從而邊界上的測量電壓發生變化，通過一定的圖象重建算法，可以重建出場內的電導率分布。進而得到氣/固兩相流流型。

圖4 電阻傳感器Fig.4 resistance sensor

與ECT技術相類似，ERT技術在成像過程中計算量較大。就面向實際工業應用來說，還存在許多問題需要探討，仍有大量的基礎研究工作要做，如建立快速準確的三維圖象重建算法；數據采集電路的速度、精度的進一步提高；新的重建精度高、速度快的圖象重建算法的開發；傳感器電極材料的穩定性、加工尺寸的一致性、安裝定位準確性的保證；應用性的開發等[8]。

2 概率密度判斷法

2.1 電壓U的概率密度

概率密度判斷流型的方法曾經應用于氣/液兩相流中，其分析的是空隙率的概率密度，畫出測量數據的圖形，通過觀察曲線的峰值，來斷定流型的形狀[4]。

文中主要應用概率密度判斷法來判斷氣/固兩相流流型?；陟o電傳感器測量的電壓隨機信號，對電壓的概率密度進行分析，進而得到氣/固兩相流流型。靜電傳感器如圖5所示。具體計算過程如下所示。

圖5 靜電傳感器Fig.5 Electrostatic sensor

找出電壓U的最大值和最小值，將最大值和最小值間分成n份，每一份用ΔUi表示。ni表示采樣電壓U的值落在ΔUi范圍內的次數。令采樣時間為Δtj，有：

2.2 仿真分析

靜電傳感器是利用靜電感應原理進行測量氣/固兩相流參數，因此被命名為靜電流體電極（Electrostatic Flow Probe）[9]。進而將靜電流體電極輸出信號稱為靜電流體噪聲，其符合窄帶（Band-Limited）高斯波動[9]。仿真輸入信號是隨機分布的高斯信號（無干擾信號），利用等式（3）和（4）進行計算機仿真。得到仿真圖像如圖6所示。

圖6 均值u=0、1.3和2.1時電壓U概率密度圖Fig.6 Mean u=0，1.3 and 2.1 voltage U of probability density

假設氣/固兩相流固體顆粒尺寸、速度不變時，其不同流型將輸出不同的信號，根據圖6的電壓U概率密度峰值的位置，建立固體顆粒濃度與概率密度峰值的關系。由于靜電流體噪聲符合高斯變化，這樣就可以通過靜電流體噪聲均值來判斷氣/固兩相流固體顆粒濃度。

2.3 測量原理

利用繩流數學模型可以得出距離r，在利用均值判斷固體顆粒濃度。進而可以快速地判斷氣/固兩相流流型。

圖7 繩流數學模型幾何圖Fig.7 Schematic plot of the model of the roping flow

3 結 論

靜電傳感器測量氣/固兩相流流型，利用本文提出的概率密度判斷方法，僅需要計算出測量電壓信號的均值和繩流數學模型中的距離r?？梢詫崟r快速地判斷氣/固兩相流流型的變化。而不需要進行計算概率密度。

[1]Yan Y.Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines[J].Measurement Science and Technology，1996（7）：1687-1706.

[2]Gajewski J B.Non-contact electrostatic flow probe for measuring the flow rate and charge in the two-phase gassolid flows[J].Journal of Electrostatics，2006（61）：2262-2270.

[3]Carter R M，Yan Y.On-line particle sizing of pulverized and granular fuels using digital imaging techniques[J].Measurement Science and Technology，2003（14）：1099-1109.

[4]李海青.兩相流參數檢測及應用[M].杭州:浙江大學出版社，1991.

[5]Yan Y，Byrne B.Measurement of solids deposition in pneumatic conveying[J].Powder Technology，1997（19）：131-139.

[6]Barratt I R，Yan Y，Byrne B，et al.Mass flow measurement of pneumatically conveyed solids using radiometric sensors[J].Flow Measurement and Instrumentation，2000（11）：223-235.

[7]趙進創.電容層析成像技術及在兩相流可視化監測中的應用研究[D].黑龍江：東北大學，2001.

[8]魏影.電阻層析成像技術（ERT）及其在兩相流測量中的應用研究[D].黑龍江：東北大學，2001.

[9]Gajewski J B.Frequency response and bandwidth of an electrostatic flow probe[J].Journal of Electrostatics，2000（48）：279-294.